(57)【要約】【課題】簡単な構成で音波の到来方向を正確に検出できる音響センサを提供する。【解決手段】センサ素子１１ａ〜１１ｅは一平面上に配列されそれぞれ音波を電気信号である受信信号に変換する。遅延手段１２は、各センサ素子１１ａ〜１１ｅから出力された受信信号をそれぞれセンサ素子１１ａ〜１１ｅの位置に応じた遅延時間で遅延させた遅延信号を組にして出力する。加算手段１３は、遅延手段１２により遅延された遅延信号の組を加算する。判定手段１４は、加算手段１３による加算結果と規定の閾値との大小を比較し閾値を越える加算結果が得られたときに遅延手段１２で設定された遅延時間に対応する方向から音波が到来していると判断する。遅延手段１２は、センサ素子１１ａ〜１１ｅに応じた遅延時間が得られるようにＢＢＤをセンサ素子１１ａ〜１１ｅに対応付けて異なる個数ずつ接続した遅延素子１２ａ〜１２ｈにより構成される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ音波を電気信号である受信信号に変換する複数個のセンサ素子を規定の配列パターンで配置した受波器と、各センサ素子から出力された受信信号をそれぞれセンサ素子の配列パターンに応じた遅延時間で遅延させた遅延信号を組にして出力する遅延手段と、遅延手段により遅延された遅延信号の組を加算する加算手段と、加算手段による加算結果と規定の閾値との大小を比較し閾値を越える加算結果が得られたときに遅延手段で設定された遅延時間に対応する方向から音波が到来していると判断する判定手段とを備え、遅延手段は、遅延時間が一定であってアナログ信号を遅延させる遅延要素をセンサ素子に応じた遅延時間が得られるようにセンサ素子に対応付けて異なる個数ずつ接続していることを特徴とする音響センサ。
【請求項２】
音波を間欠的に送波する送波器と、前記判定手段により到来方向が検出された音波を受波器で受信した時刻と送波器から音波を送波した時刻との時間により送波器から送波された音波を反射した物体までの距離を求める位置演算手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の音響センサ。
【請求項３】
前記判定手段は、前記加算手段による加算結果のピーク値を検出するピークホールド回路と、ピークホールド回路により得られたピーク値を閾値と比較する比較回路とからなることを特徴とする請求項２記載の音響センサ。
【請求項４】
前記ピークホールド回路は、前記送波器が音波を送波する時間間隔よりも短い一定時間間隔で前記加算結果のピーク値を検出することを特徴とする請求項３記載の音響センサ。
【請求項５】
前記受波器は、前記センサ素子の少なくとも一部を一直線上に等間隔で配列してあり、前記遅延手段は、前記直線における一端のセンサ素子を基準とし他端に向かって各センサ素子に対応する遅延要素の個数を１個ずつ増加させて得られる遅延信号の組と、前記直線における他端のセンサ素子を基準とし一端に向かって各センサ素子に対応する遅延要素の個数を１個ずつ増加させて得られる遅延信号の組とを出力することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の音響センサ。
【請求項６】
前記遅延要素は、バケットブリゲードデバイスであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の音響センサ。
【請求項７】
前記遅延手段と前記判定手段との間に遅延手段で発生するノイズ成分を除去する周波数フィルタを設けていることを特徴とする請求項６記載の音響センサ。
【請求項８】
前記遅延手段は、前記センサ素子に対応する個数の遅延要素を１個の遅延素子とし、遅延素子をカスケード接続した遅延素子群をセンサ素子ごとに備え、各センサ素子からの受信信号を同数個ずつの遅延素子を通して得られる遅延信号をそれぞれ組にして出力することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の音響センサ。
【請求項９】
前記加算手段は、遅延手段から出力される複数組の遅延信号をそれぞれ組ごとに加算する複数個の加算器を備えることを特徴とする請求項８記載の音響センサ。
【請求項１０】
前記判定手段は、前記加算手段から出力される複数個の加算結果をそれぞれ閾値と比較することを特徴とする請求項９記載の音響センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音波の到来方向を検出可能な音響センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、音波を電気信号に変換するセンサ素子を複数個配列し、各センサ素子への音波の到来時刻の差から音波の到来方向を検出する音響センサが知られている（たとえば、特許文献１参照）。この種の音響センサは、たとえば図５に示すように、センサ素子１１ａ〜１１ｅが一次元的に等間隔で配列され、センサ素子１１ａ〜１１ｅが配列された面に対する音波の波面の角度がθである場合を想定する。この場合、センサ素子１１ａ〜１１ｅが配列された面に対する音波の到来方向（すなわち、音波の入射角）はθになる。センサ素子１１ａ〜１１ｅの間隔をｄとし、音速をｃとすれば、音波の波面が隣り合うセンサ素子１１ａ〜１１ｅに到達する時間差は、ｄ・ｓｉｎθ／ｃになる。
【０００３】
特許文献１に記載の技術では、各センサ素子１１ａ〜１１ｅから出力された電気信号を、各センサ素子１１の位置に応じた時間ずつ遅延手段１２Ａ〜１２Ｅで遅延させるとともに遅延手段１２Ａ〜１２Ｅにより遅延した電気信号を加算器１３′で加算し、加算器１３′の出力波形を用いて音波の到来方向が入射角θであるか否かを判断するように構成されている。
【０００４】
各遅延手段１２Ａ〜１２Ｅは、それぞれＢＢＤ（バケットブリゲードデバイス）を用いて構成され、各遅延手段１２Ａ〜１２Ｅでの遅延時間は、遅延時間指定手段１５Ａ〜１５Ｅにより指定される。たとえば、図５のように、センサ素子１１ａ〜１１ｅを配列した面の法線に対して音波が上方から到来する場合に、各遅延手段１２Ａ〜１２Ｅによる遅延時間を、それぞれ４Ｔ、３Ｔ、２Ｔ、Ｔ、０になるように遅延時間指定手段１５Ａ〜１５Ｅで遅延時間を指定することができる。ただし、Ｔ＝ｄ・ｓｉｎθ／ｃである。
【０００５】
この場合、到来方向がθである音波に対する加算器１３′の出力波形のピーク値は、他の方向から到来する音波に対する加算器１３′の出力波形のピーク値よりも大幅に大きくなるから（図示例では、５個のセンサ素子１１ａ〜１１ｅを用いていることにより同じ振幅の音波に対して約５倍）、加算器１３′の出力波形のピーク値と適宜の閾値との大小を比較することにより、到来方向がθである音波の存在の有無を判断することが可能になる。また、各遅延手段１２Ａ〜１２Ｅの遅延時間を時間経過に伴って変化させれば、音波を検出しようとする到来方向θを変化させることができ、検出しようとする音波の到来方向θを走査することが可能になる。
【特許文献１】特開２００２−１５６４５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、図５に示した構成では、ＢＢＤを用いて構成されている遅延手段１２Ａ〜１２Ｅの遅延時間をそれぞれ遅延時間指定手段１５Ａ〜１５Ｅにより設定するために、遅延手段１２Ａ〜１２Ｅに遅延時間指定手段１５Ａ〜１５Ｅから異なる周波数のクロック信号を与える必要があるから、遅延手段１２Ａ〜１２Ｅおよび遅延時間指定手段１５Ａ〜１５Ｅの構成が複雑になるという問題を有している。
【０００７】
特許文献１には、図６に示すように、遅延手段１２Ａ〜１２Ｅの出力を待機用遅延手段１７Ａ〜１７Ｅを用いて遅延手段１２Ａ〜１２Ｅの入力に帰還させるループ回路を設けた構成も開示されている。これは、センサ素子１１ａ〜１１ｅから得られる１回の音波の受信によりセンサ素子１１ａ〜１１ｅから出力される受信信号を用いて、必要となる任意の方向の信号を得ることを目的とした構成であって、遅延手段１２Ａ〜１２Ｅにより遅延させた後に、待機用遅延手段１７Ａ〜１７Ｅによって受信信号と同じ位相関係に戻して遅延手段１２Ａ〜１２Ｅに再入力する動作を採用している。
【０００８】
この構成では、各センサ素子１１ａ〜１１ｅにそれぞれ対応する遅延手段１２Ａ〜１２Ｅの遅延時間はそれぞれ異なっているが、遅延手段１２Ａ〜１２Ｅの遅延時間と待機用遅延手段１７Ａ〜１７Ｅの遅延時間との和は同じ値に設定してあり、待機用遅延手段１７Ａ〜１７Ｅにより遅延された後に遅延手段１２Ａ〜１２Ｅに入力される信号を元の信号（つまり、受信信号）と同じ位相関係になるようにしてある。したがって、１回の音波の受信による受信信号を、遅延手段１２Ａ〜１２Ｅと待機用遅延手段１７Ａ〜１７Ｅとからなるループ回路で循環させ、その間に遅延手段１２Ａ〜１２Ｅの遅延時間および待機用遅延手段１７Ａ〜１７Ｅの遅延時間を変化させることで、複数の方向について音波の到来を検出することが可能になる。
【０００９】
しかしながら、この構成を採用すると、遅延手段１２Ａ〜１２Ｅにおいて複数種類のクロック信号が必要である上に１回のループ毎にクロック信号の周波数を変更しなければならないから、処理が複雑になるという問題があり、その上、待機用遅延手段１７Ａ〜１７Ｅの遅延時間の合計は少なくとも遅延手段１２Ａ〜１２Ｅの遅延時間の合計程度は必要であるから、遅延手段１２Ａ〜１２Ｅおよび待機用遅延手段１７Ａ〜１７Ｅを構成するＢＢＤの個数が多くなるという問題がある。さらに、複数方向について音波の到来を検出しようとすれば、１回の音波の受信による受信信号をループ回路で複数回循環させるから、アナログ信号である受信信号の波形に歪が多くなり、波形の歪みによる誤差分が増加し、到来方向の検出精度が低下するという問題も生じる。
【００１０】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、簡単な構成で音波の到来方向を正確に検出することができる音響センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、それぞれ音波を電気信号である受信信号に変換する複数個のセンサ素子を規定の配列パターンで配置した受波器と、各センサ素子から出力された受信信号をそれぞれセンサ素子の配列パターンに応じた遅延時間で遅延させた遅延信号を組にして出力する遅延手段と、遅延手段により遅延された遅延信号の組を加算する加算手段と、加算手段による加算結果と規定の閾値との大小を比較し閾値を越える加算結果が得られたときに遅延手段で設定された遅延時間に対応する方向から音波が到来していると判断する判定手段とを備え、遅延手段は、遅延時間が一定であってアナログ信号を遅延させる遅延要素をセンサ素子に応じた遅延時間が得られるようにセンサ素子に対応付けて異なる個数ずつ接続していることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、各センサ素子に必要な遅延時間を遅延要素の個数で確保するから、従来構成のように遅延手段に複数種類のクロック信号を与える必要がなく構成が簡単になる。また、遅延手段にループ回路を設ける必要もないから、比較的少数の遅延要素で遅延手段を構成でき、遅延信号を取り出すまでの遅延要素の個数が少ないから、遅延手段から出力される遅延信号の波形の歪みも少なくなる。その結果、加算手段において加算される遅延信号における時間の誤差が少なくなり、音波の到来方向を精度よく検出することが可能になる。
【００１３】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、音波を間欠的に送波する送波器と、前記判定手段により到来方向が検出された音波を受波器で受信した時刻と送波器から音波を送波した時刻との時間により送波器から送波された音波を反射した物体までの距離を求める位置演算手段とを備えることを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、音波を用いて物体までの距離を求めることができるから、反射波の到来方向によって検出される物体の存在方向と併せることによって、物体の位置を二次元的あるいは三次元的に求めることが可能になる。
【００１５】
請求項３の発明では、請求項２の発明において、前記判定手段は、前記加算手段による加算結果のピーク値を検出するピークホールド回路と、ピークホールド回路により得られたピーク値を閾値と比較する比較回路とからなることを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、加算手段による加算結果のピーク値をピークホールド回路により検出するから、加算手段による加算結果の評価を定式化でき物体位置の検出精度をほぼ一定化することができる。
【００１７】
請求項４の発明では、請求項３の発明において、前記ピークホールド回路は、前記送波器が音波を送波する時間間隔よりも短い一定時間間隔で前記加算結果のピーク値を検出することを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、ピークホールド回路がピーク値を検出する時間間隔によって物体までの距離の精度を規定することができる。
【００１９】
請求項５の発明では、請求項１ないし請求項４の発明において、前記受波器は、前記センサ素子の少なくとも一部を一直線上に等間隔で配列してあり、前記遅延手段は、前記直線における一端のセンサ素子を基準とし他端に向かって各センサ素子に対応する遅延要素の個数を１個ずつ増加させて得られる遅延信号の組と、前記直線における他端のセンサ素子を基準とし一端に向かって各センサ素子に対応する遅延要素の個数を１個ずつ増加させて得られる遅延信号の組とを出力することを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、受波器を構成するセンサ素子の個数を増やすことなく２方向からの音波を同時に検出することが可能になる。すなわち、２方向からの音波を異なる受波器により検出する場合には、音波の到来方向について受波器の位置関係による補正が必要になるが、請求項５の構成によれば、２方向からの音波の到来方向に関する誤差はセンサ素子の配列された直線の両端位置程度の微小誤差であって、実質的に誤差なく検出することが可能になる。
【００２１】
請求項６の発明では、請求項１ないし請求項５の発明において、前記遅延要素は、バケットブリゲードデバイスであることを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、同じ遅延時間のバケットブリゲードデバイスを複数個設けるだけで遅延手段を構成することができるから、集積回路化が容易である。
【００２３】
請求項７の発明では、請求項６記載の発明において、前記遅延手段と前記判定手段との間に遅延手段で発生するノイズ成分を除去する周波数フィルタを設けていることを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、遅延手段の構成要素としてバケットブリゲードデバイスを用いることにより発生するクロック信号によるノイズ成分を周波数フィルタで除去するから、ノイズ成分の混入による音波の到来方向の誤検出を防止することができる。
【００２５】
請求項８の発明では、請求項１ないし請求項７の発明において、前記遅延手段は、前記センサ素子に対応する個数の遅延要素を１個の遅延素子とし、遅延素子をカスケード接続した遅延素子群をセンサ素子ごとに備え、各センサ素子からの受信信号を同数個ずつの遅延素子を通して得られる遅延信号をそれぞれ組にして出力することを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、各センサ素子ごとにカスケード接続した複数個ずつの遅延素子を設けているから、各センサ素子ごとに同数個ずつの遅延素子を通して得られる遅延信号の組を加算手段に与えることによって、遅延信号の組に対応する方向から到来する音波の検出が可能になる。すなわち、１個の受波器を用いて複数方向からの音波の到来を検出することが可能になり、音波の到来方向を精度よく検出することが可能になる。
【００２７】
請求項９の発明では、請求項８の発明において、前記加算手段は、遅延手段から出力される複数組の遅延信号をそれぞれ組ごとに加算する複数個の加算器を備えることを特徴とする。
【００２８】
この構成によれば、音波の到来方向に対応した遅延信号の組ごとに加算する複数個の加算器を設けていることにより、音波の到来方向を複数方向について同時に検出することが可能になる。
【００２９】
請求項１０の発明では、請求項９の発明において、前記判定手段は、前記加算手段から出力される複数個の加算結果をそれぞれ閾値と比較することを特徴とする。
【００３０】
この構成によれば、音波の到来方向に対応した複数個の加算器の加算結果を判定手段においてそれぞれ閾値と比較するから、各加算器の加算結果に応じた閾値の設定が可能であり、音波の到来方向に応じた適正な閾値を設定することにより正確な判断が可能になる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の構成によれば、各センサ素子に必要な遅延時間を遅延要素の個数で確保するから、従来構成のように遅延手段に複数種類のクロック信号を与える必要がなく構成が簡単になるという利点があり、さらに、遅延手段にループ回路を設ける必要もないから、比較的少数の遅延要素で遅延手段を構成でき、遅延信号を取り出すまでの遅延要素の個数が少ないから、遅延手段から出力される遅延信号の波形の歪みも少なくなり、結果的に、加算手段において加算される遅延信号における時間の誤差が少なくなり、音波の到来方向を精度よく検出することが可能になるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
（実施形態１）
以下に説明する実施形態では、図２に示すように、超音波発生手段に設けた送波器２から間欠的に超音波を送波し、送波器２から送波された超音波が物体３により反射された反射波を音響センサに設けた受波器１により受波し、送波器２から超音波を送波した後に反射波が受波器１で受波されるまでの時間に基づいて物体３までの距離を求めるとともに、受波器１への反射波の到来方向を検出し、求めた距離と反射波の到来方向とから物体３の相対位置を求めることを可能とした超音波センサを例示する。
【００３３】
ただし、本実施形態において説明する音響センサは、超音波センサに用いるだけではなく、音波の到来方向を検出する種々の用途に利用することができる。また、受波器１に入射する音波が平面波であるという条件を満たしていれば、音波の種類は超音波に限定されるものではない。以下の説明では、説明を簡単にするために、受波器１に対する物体３の相対位置を二次元の極座標で求める場合を例示するが、三次元空間での物体３の位置を求めるように以下の実施形態の構成を拡張することは容易である。
【００３４】
本実施形態に用いる受波器１は、図１に示すように、超音波を電気信号に変換する複数個（図示例では５個）のセンサ素子１１ａ〜１１ｅを一次元的（一直線上）に等間隔で配列したセンサアレイからなり、さらに個々のセンサ素子１１ａ〜１１ｅから出力される電気信号（以下では、受信信号という）を遅延させる多数個（図示例では９個×８段＝７２個）の遅延素子１２ａ〜１２ｈからなる遅延手段１２を備える。遅延手段１２からは複数組（図示例では５個１組で１９組）の遅延信号が出力され、遅延信号は加算手段１３に設けた加算器１３ａ〜１３ｓに各組ごとに入力され、加算器１３ａ〜１３ｓによる加算結果は判定手段１４に入力され、判定手段１４において超音波の到来方向が判定される。
【００３５】
判定手段１４は、各加算器１３ａ〜１３ｓからのそれぞれの出力信号のピーク値を検出するピークホールド回路１４ａ〜１４ｓと、各ピークホールド回路１４ａ〜１４ｓの出力をそれぞれ適宜の閾値と比較する比較回路１５ａ〜１５ｓとを備える。各比較回路１５ａ〜１５ｓはピークホールド回路１４ａ〜１４ｓの出力と閾値との大小関係に応じた２値信号を出力する。各比較回路１５ａ〜１５ｓにおける閾値は閾値設定部１５により比較回路１５ａ〜１５ｓごとに設定される。各比較回路１５ａ〜１５ｓにおいて複数段階の閾値を設定することも可能であるが、ここでは各比較回路１５ａ〜１５ｓに１段階ずつの閾値が設定されているものとする。各比較回路１５ａ〜１５ｓは、それぞれ超音波の到来方向に対応付けられており、どの比較回路１５ａ〜１５ｓにおいて閾値を越える出力が得られたかに応じて超音波の到来方向を判断することができる。この技術については後述する。
【００３６】
各比較回路１５ａ〜１５ｓの出力は位置演算手段１６に入力され、位置演算手段１６では送波器２から超音波を送波したタイミングと、いずれかの比較回路１５ａ〜１５ｓからピークホールド回路１４ａ〜１４ｓの出力が閾値を越えたことを示す出力が得られた時点のタイミングとの時間差に基づいて、物体３までの距離を演算する。したがって、位置演算手段１６では、閾値を越える出力が得られた比較回路１５ａ〜１５ｓにより超音波の到来方向がわかり、送波と受波とのタイミングにより物体３までの距離がわかる。
【００３７】
さらに具体的に説明する。超音波発生手段は、送波器２に設けた超音波振動子の駆動タイミングを制御するためのタイミング制御回路２１を有している。タイミング制御回路２１は一定周期で一定の時間幅を有する矩形波を出力し、送波器２はタイミング制御回路２１から出力される矩形波に同期して間欠的に超音波を送波する。超音波を１回送波する時間幅は、遅延素子１２ａ〜１２ｈの最小の遅延時間（超音波の到来方向に関する分解能）と、隣り合うセンサ素子１１ａ〜１１ｅの間隔とに応じて設定される。
【００３８】
受波器１を構成するセンサ素子１１ａ〜１１ｅとしては、図３のように音波をピエゾ効果により電気信号に変換するものと、図４のように音波を静電容量の変化に変換するものとが広く知られているから、いずれかの構造のものを用いる。
【００３９】
図３に示すものは、１ｍｍ角程度のＳＯＩ基板３０の主表面に、チタン下地を有する白金薄膜の下部電極３１と、ゾルゲル法により形成したＰＺＴ薄膜からなる圧電層３２と、白金からなる上部電極３３とを順に積層した構造を有する。ＳＯＩ基板３０は、シリコンウェハから形成した支持基板３０ａの表裏両面にシリコン酸化膜層３０ｂ，３０ｃを有し、支持基板３０ａの主表面側におけるシリコン酸化膜層３０ｂには、さらにシリコン層３０ｄとシリコン酸化膜層３０ｅとが順に積層されている。ＳＯＩ基板３０の中央部には下面からシリコン層３０ｄに達する溝部３０ｆが形成されている。この構成により、溝部３０ｆに対応する部位において、シリコン層３０ｄとシリコン酸化膜層３０ｅと下部電極３１と圧電層３２と上部電極３３との薄肉の積層体に音波の圧力が作用すると、ピエゾ効果によって圧電層３２には音波の圧力に応じた電圧が発生するから、下部電極３１と上部電極３３との間には音波の圧力に応じて微小な電圧変化が生じるから、音波を電気信号に変換することができる。
【００４０】
一方、図４に示すものは、ｎ−形のシリコン基板からなる支持基板４０の中央部に溝部４０ａを有し、支持基板４０の主表面側において溝部４０ａの底部および周部に跨るｐ＋形のバックベント４１を備える。さらに、溝部４０ａの周囲においてバックベント４１の主表面にシリコン酸化膜層４２を介してシリコン窒化膜層４３が積層され、溝部４０ａに対応する部位においてバックベント４１に対向するｎ＋形のポリシリコンからなるダイアフラム４４の周部が、シリコン窒化膜層４３の上に接合された構造を有する。バックベント４１には表裏に連通する排気孔４１ａが適所に形成され、バックベント４１およびダイアフラム４４の一部には金属薄膜からなる電極パッド４５，４６が設けられる。この構成では、ダイアフラム４４とバックベント４１とを電極とするコンデンサが形成されるから、ダイアフラム４４が音波の圧力を受けることによりバックベント４１との距離を変化させると、ダイアフラム４４とバックベント４１との間の静電容量が変化する。したがって、電極パッド４５，４６の間に直流バイアス電圧を印加しておけば、電極パッド４５，４６の間には音波の圧力に応じて微小な電圧変化が生じるから、音波を電気信号に変換することができる。
【００４１】
遅延手段１２は、同じ遅延時間を有する遅延素子１２ａ〜１２ｈをそれぞれカスケード接続した遅延素子群を複数群備え、各遅延素子群がいずれかのセンサ素子１１ａ〜１１ｅに対応付けて接続される。また、各遅延素子１２ａ〜１２ｈはそれぞれ２相のクロック信号で駆動されるＢＢＤを遅延要素に用いて構成され、本実施形態では、ＢＢＤ１個当たりの遅延時間を１μｓとするために、クロック信号を５００ｋＨｚに設定している。遅延素子１２ａ〜１２ｈを構成する遅延要素はクロック信号で電荷を遅延させて転送する機能があればよく、ＢＢＤではなくＣＣＤを用いて構成することも可能である。
【００４２】
図１において１段目の遅延素子群と８段目の遅延素子群とを構成する遅延素子１２ａ，１２ｈはそれぞれ１個のＢＢＤを備え、２段目と７段目との遅延素子１２ｂ，１２ｇは２個のＢＢＤを備え、３段目と６段目との遅延素子１２ｃ，１２ｆは３個のＢＢＤを備え、４段目と５段目との遅延素子１２ｄ，１２ｅは４個のＢＢＤを備える。遅延素子１２ａ，１２ｈの遅延時間は１μｓ、遅延素子１２ｂ，１２ｇの遅延時間は２μｓ、遅延素子１２ｃ，１２ｆの遅延時間は３μｓ、遅延素子１２ｄ，１２ｅの遅延時間は４μｓになる。したがって、各遅延素子１２ａ〜１２ｈは、遅延時間が１μｓであるＢＢＤを遅延要素とし、センサ素子１１ａ〜１１ｅに応じて異なる個数ずつ接続した構成を有していることになる。つまり、遅延手段１２は、遅延時間に応じた個数の同構成のＢＢＤを１つのクロック信号で動作させる構成であるから、集積回路化が容易である。
【００４３】
なお、図１に示す例において２個のセンサ素子１１ａ，１１ｅの出力を、どの遅延素子１２ａ〜１２ｈも通さずに加算手段１３に入力する経路があるが、この経路には遅延時間が０μｓの遅延素子を設けているものとみなす。つまり、遅延素子群は５個のセンサ素子１１ａ〜１１ｅに対して２倍の個数である１０群設けられ、遅延素子群のうちの２群の遅延時間を０μｓに設定していることになる。要するに、各遅延素子群を構成する遅延素子１２ａ〜１２ｈは遅延時間に１μｓずつの差があればよいのであって、図１において遅延素子１２ａ〜１２ｈを設けていない経路に遅延時間が１μｓである遅延素子からなる遅延素子群を設ける場合には、他の遅延素子群を構成する遅延素子１２ａ〜１２ｈの遅延時間をそれぞれ２μｓ、３μｓ、４μｓ、５μｓとなるように構成すればよい。
【００４４】
上述のように、１つの遅延素子群を構成する９個ずつの遅延素子１２ａ〜１２ｈの遅延時間はそれぞれ等しく、かつ各遅延素子群では遅延素子１２ａ〜１２ｈがカスケード接続されていることによって、遅延時間が加算されるようになっている。たとえば、図１における１段目の遅延素子群を構成する遅延素子１２ａを１個通過すれば信号が時間Ｔだけ遅延されるものとすれば、遅延素子１２ａを２個通過すれば信号は時間２Ｔだけ遅延される。また、２段目の遅延素子１２ｂでは、１個通過すれば時間２Ｔだけ遅延され、２個通過すれば時間４Ｔだけ遅延される。
【００４５】
遅延時間Ｔは、センサ素子１１ａ〜１１ｅを配列した面への音波の入射角が音波の到来方向に関する分解能に相当する規定角度（本実施形態では５°）であるときに、隣り合うセンサ素子１１ａ〜１１ｅに音波の同じ波面が到達する時間差にほぼ一致させてある。たとえば、音速を３４０ｍ／ｓとし、センサ素子１１ａ〜１１ｅの中間間の距離を４ｍｍとすれば、入射角が５°（図１の左右方向を０°として下側の角度を正にとる）であるときに、センサ素子１１ａとセンサ素子１１ｂとに同じ波面が到達する時間差は１．０３μｓになるから、上述の条件で音波の到来方向の分解能を約５°とするには遅延時間Ｔを１μｓに設定すればよいと言える。つまり、上述したように遅延素子１２ａ〜１２ｈの遅延時間をそれぞれ１μｓ、２μｓ、３μｓ、４μｓに設定しておけば、各遅延素子１２ａ〜１２ｈを同じクロック信号で駆動しながらも約５°の分解能を得ることができる。また、本実施形態の構成では遅延手段１２を構成するＢＢＤの個数は１８０個であるから、実装面積を比較的小さくすることができ小型化が可能になる上に、比較的低コストで提供することができる。
【００４６】
表１に示すように、すべての遅延素子１２ａ〜１２ｈを同じクロック信号で駆動すると、同じ波面の音波が各センサ素子１１ａ〜１１ｅに入射する時間差（到達時間差）と、遅延素子１２ａ〜１２ｈによる遅延時間とに誤差が生じるが、１つの加算器１３ａ〜１３ｓによる加算結果が他の加算器１３ａ〜１３ｓの加算結果と区別できればよいから、到達時間差と遅延時間とに誤差があっても遅延手段１２から出力される１組の遅延信号の一部が互いに重複するように、送波器２から送波する超音波の時間幅を設定しておけばよい。ただし、送波器２から送波する超音波の時間幅を必要以上に長くすると、音波の到来方向に対する分解能が低下するから、送波器２から送波する超音波の時間幅は、到達時間差と遅延時間との誤差と、音波の到来方向に関する分解能との兼ね合いで設定する。また、すべての遅延素子１２ａ〜１２ｈを同じクロック信号で駆動することができるから、遅延手段１２の構成および制御が簡単であり、遅延手段１２のＩＣ化が容易になる。
【００４７】
なお、表１において、「１、８段」は遅延素子１２ａ，１２ｈに対応し、「２、７段」は遅延素子１２ｂ，１２ｇに対応し、「３、６段」は遅延素子１２ｃ，１２ｆに対応し、「４、５段」は遅延素子１２ｄ，１２ｅに対応する。また、「個数」はカスケードに接続された遅延素子１２ａ〜１２ｈを受信信号が通過する個数、「遅延」は遅延素子１２ａ〜１２ｈによる遅延時間（遅延信号の受信信号に対する遅延時間）、「到達」は基準となるセンサ素子１２ａ，１２ｈの受信信号に対して同じ波面の音波を受信した他のセンサ１２ｂ〜１２ｇの受信信号の遅れ時間（到達時間差）を表す。遅延時間と到達時間差との単位は〔μｓ〕である。
【００４８】
【表１】
2005300429.tif 000003
【００４９】
センサ素子１１ａから出力される受信信号は、どの遅延素子１２ａ〜１２ｈも通らずに遅延手段１２から出力されるか、５段目の遅延素子１２ｅを通して遅延手段１２から出力される。同様にして、センサ素子１１ｂからの受信信号は１段目と６段目との遅延素子１２ａ，１２ｆを通して遅延手段１２から出力され、センサ素子１１ｃからの受信信号は２段目と７段目との遅延素子１２ｂ，１２ｇを通して遅延手段１２から出力され、センサ素子１１ｄからの受信信号は３段目と８段目との遅延素子１２ｃ，１２ｈを通して遅延手段１２から出力され、センサ素子１１ｅからの受信信号は４段目の遅延素子１２ｄを通して遅延手段１２から出力されるか、どの遅延素子１２ａ〜１２ｈも通らずに遅延手段１２から出力される。
【００５０】
遅延手段１２から出力される遅延信号は上述したように５個１組で１９組の出力であって、１組になる５個の出力はすべてのセンサ素子１１ａ〜１１ｅの受信信号に対応した信号を含むように組み合わされる。１９組のうちの１組は、各センサ素子１１ａ〜１１ｅからの受信信号を遅延素子１２ａ〜１２ｈに通さずに取り出す組合せであって、他の組は、センサ素子１１ａから出力された受信信号とセンサ素子１１ｂ〜１１ｅから出力され上４段の遅延素子１２ａ〜１２ｄを同数ずつ通過した受信信号との組合せ、またはセンサ素子１１ｅから出力された受信信号とセンサ素子１１ａ〜１１ｄから出力され下４段の遅延素子１２ｅ〜１２ｈを同数ずつ通過した受信信号との組合せのいずれかになる。図１に示す遅延手段１２において同じ角度を付した遅延信号が１組になる。たとえば、＋４０°と表記している５個の遅延信号が１組になる。
【００５１】
加算手段１３は、遅延信号をそれぞれ組ごとに加算する１９個の加算器１３ａ〜１３ｓを備える。図１において、Σθ（θは角度）の形式で表記している加算器１３ａ〜１３ｓはそれぞれ遅延手段１２から出力される角度θに対応する遅延信号を加算することを意味する。たとえば、＋４０°の５個の遅延信号の組は、Σ＋４０°と表記した加算器１３ｂにおいて加算される。ここで、受波器１への音波の入射角がθであるときには、角度θに対応する５個の遅延信号はほぼ同じタイミングで加算器１３ａ〜１３ｓに入力されるから、送波器２から送波された超音波による反射波が受波器１に対して入射角θで入射したときに、角度θに対応する１つの加算器１３ａ〜１３ｓの出力のピーク値は理想的には５個の遅延信号のピーク値を加算した値になる。したがって、音波の入射方向に対応した加算器１３ａ〜１３ｓの出力だけが他の加算器１３ａ〜１３ｓの出力よりも大幅に大きくなる。
【００５２】
判定手段１４に設けたピークホールド回路１４ａ〜１４ｓは、各加算器１３ａ〜１３ｓの出力のピーク値を一定時間毎（たとえば、０．６ｍｓ毎）に保持する回路であって、次のピーク値を保持するまでは前のピーク値を保持するように構成されている。つまり、０．６ｍｓ間隔でピーク値を取り出し、取り出したピーク値を０．６ｍｓの間保持する。０．６ｍｓは音速を３４０ｍ／ｓとするときに０．２ｍに相当するから、ピークホールド回路１４ａ〜１４ｓにおけるピーク値の取り出しと保持とを０．６ｍｓの間隔で行うことは、物体３までの距離に関する分解能が０．２ｍになることを意味する。なお、ピークホールド回路１４ａ〜１４ｓは、タイミング制御回路２１が送波器２に対して超音波の送波を指示した時点を起点としてピーク値を取り出して保持する動作を開始する。つまり、ピークホールド回路１４ａ〜１４ｓはタイミング制御回路２１により制御される。
【００５３】
判定手段１４には、ピークホールド回路１４ａ〜１４ｓが保持しているピーク値を閾値設定部１５により設定された閾値と比較する比較回路１５ａ〜１５ｓも設けられる。ところで、物体３までの距離が等しい場合でも受波器１への反射波の入射角によってセンサ素子１１ａ〜１１ｅが受ける圧力が異なるから、各加算器１３ａ〜１３ｓの出力信号のピーク値も反射波の入射角によって異なる。したがって、各比較回路１５ａ〜１５ｓに対する閾値は異ならせるのが望ましい。つまり、入射角が大きくなるほどセンサ素子１１ａ〜１１ｅから出力される受信信号のレベルが小さくなるから、比較回路１５ａ〜１５ｓに対して設定する閾値は、入射角が大きい受信信号と比較する閾値ほど小さい値に設定することが望ましい。
【００５４】
いずれかの比較回路１５ａ〜１５ｓにおいてピークホールド回路１４ａ〜１４ｓの出力値が閾値を越えるときには、当該比較回路１５ａ〜１５ｓに対応する入射角で受波器１に音波が入射していることを示しており、比較回路１５ａ〜１５ｓは２値信号を出力するから、出力が反転している比較回路１５ａ〜１５ｓがあれば、当該比較回路１５ａ〜１５ｓに対応する入射角で音波が受波器１に入射していることになる。ここに、本実施形態では音波の到来方向を５°刻みで検出しており、刻みの中間の角度（たとえば、２２．５°）で音波が入射するときに音波が検出されないと不都合であるから、刻みの中間の角度で音波が入射するときには、当該角度を挟む２つの比較回路１５ａ〜１５ｓ（図示例では比較回路１５ｅ，１５ｆ）において出力を反転させることが望ましい。このような条件を満たすには、加算手段１３において１組だけの遅延信号の加算結果が他の組の遅延信号の加算結果より大きくなるのではなく、２組の遅延信号の加算結果が他の組の遅延信号の加算結果よりも大きくなるように、送波器２から送波する超音波の時間幅を設定することが必要である。この条件では、２個の加算器１３ａ〜１３ｓの出力信号のピーク値が他の加算器１３ａ〜１３ｓの出力信号のピーク値よりも大きくなり、２個の比較回路１５ａ〜１５ｓの出力が反転するから、位置演算手段１６では２個の比較回路１５ａ〜１５ｓの出力が反転しているときには、両比較回路１５ａ〜１５ｓに対応する入射角の中間の角度で音波が入射していると判断する。なお、送波器２から送波する超音波の時間幅にもよるが、刻みの中間の角度で音波が入射するときには、ピークホールド回路１４ａ〜１４ｓにおいて組になる５個の遅延信号のすべてを加算したピーク値を得ることができない場合があり、たとえば３個の遅延信号を加算したピーク値になる場合もあるから、比較回路１５ａ〜１５ｓに設定する閾値を５個の遅延信号を加算したピーク値が得られる場合よりも低く設定しておくのが望ましい。
【００５５】
なお、加算器１３ａ〜１３ｓの前段と後段とのいずれかには、ローパスフィルタあるいはバンドパスフィルタからなる周波数フィルタを設けることにより、遅延素子１２ａ〜１２ｓの駆動に用いるクロック信号によるノイズ成分を除去するのが望ましい。したがって、数十ｋＨｚの超音波を用いる場合には、２０〜１００ｋＨｚを通過させ５００ｋＨｚを阻止するようにローパスフィルタあるいはバンドパスフィルタのカットオフ周波数を設定する。
【００５６】
また、センサ素子１１ａ〜１１ｅの出力が小さい場合には、遅延手段１２の前段にセンサ素子１１ａ〜１１ｅの出力を増幅する前置増幅器を付加してもよい。たとえば、上述したセンサ素子１１ａ〜１１ｅは、一般に数ｍＶ／Ｐａの感度を有しているから、センサ素子１１ａ〜１１ｅの感度を５ｍＶ／Ｐａとし音波の圧力を０．０１Ｐａとすれば、センサ素子１１ａ〜１１ｅの出力は０．０５ｍＶになるから、遅延手段１２に必要な入力電圧を５〜５０ｍＶとすれば、前置増幅器としては増幅器を２〜３段設け増幅度を４０〜６０ｄＢとすればよい。また、前置増幅器にはＡＧＣ機能を有する増幅器あるいは対数増幅器を用い、出力電圧が低い場合には増幅率を大きくし、出力電圧が高い場合には増幅率を小さくするように構成するのが望ましい。
【００５７】
上述した構成例では、センサ素子１１ａ〜１１ｅを配列した面の法線に対して上方から入射する音波と下方から入射する音波とについて到来方向を±４５°で検出可能な音響センサを例示したが、センサ素子１１ａ〜１１ｅを配列した面の法線に対して上方と下方とのいずれか一方から入射する音波のみについて到来方向を検出すればよい場合には、遅延手段１２における上４段と下４段とのいずれかの遅延素子１２ａ〜１２ｈのみを設ければよく、遅延素子１２ａ〜１２ｈの個数は半分になる。また、加算器１３ａ〜１３ｓ、ピークホールド回路１４ａ〜１４ｓ、比較回路１５ａ〜１５ｓの個数も略半分になる。さらに、音波の到来方向に関する分解能を５°とし、距離に関する分解能を０．２ｍとしたが、この値は一例であって目的に応じて適宜に設定することが可能である。
【００５８】
上述の構成例では、送波器２から超音波を送波するとともに、音響センサを用いて反射波を検出することにより、物体３の位置を検出する超音波センサを例示したが、本発明の音響センサは、音波を発生している音源の方向を検出する目的でも使用することが可能であり、この場合に音源までの距離を検出することはできないが、上述の説明から明らかなように音源の存在する方向（音波の到来方向）は検出することができる。もっとも、音源の存在する方向を検出する場合には、タイミング制御回路２１によって送波側との同期をとる必要はないから、遅延手段１２に与えるクロック信号、ピークホールド回路１４ａ〜１４ｓの保持時間を制御する信号は適宜タイミングで与えればよく、位置演算手段１６において物体３までの距離の演算のために使用した信号は不要になる。
【００５９】
ところで、上述の例では音波の到来方向を検出する構成について説明したが、送波器２において音波を放射する方向を変化させるために、複数個の送波素子を配列して送波器２を構成し、送波器２に設けた各送波素子の駆動タイミングをずらすことによって、送波素子を配列した面に対して送波する超音波の波面を傾斜させることが可能である。各送波素子の駆動タイミングをずらすには、音響センサと同様に複数個の遅延素子を備える遅延手段を用い、超音波の送波方向に応じた遅延時間を持つ遅延素子により各送波素子の駆動タイミングを遅延させる。このような構成を採用すれば、超音波の送波方向が特定されるから、上述のように物体３による超音波の反射波を利用して物体３の位置を検出する場合には、不要方向への超音波の送波を防止することができ、目的方向に存在する物体３のみを検出することが可能になる。また、不要方向への超音波の送波を防止することにより、多重反射の影響を受けにくくなり、受波器１で受波する反射波に含まれる多重反射によるノイズが減少する。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施形態に用いる音響センサを示すブロック図である。
【図２】本発明の使用例を示すブロック図である。
【図３】同上に用いるセンサ素子の一例を示す断面図である。
【図４】同上に用いるセンサ素子の他例を示す断面図である。
【図５】従来例を示すブロック図である。
【図６】同上の要部ブロック図である。
【符号の説明】
【００６１】
１  受波器
２  送波器
３  物体
１１ａ〜１１ｅ  センサ素子
１２  遅延手段
１２ａ〜１２ｈ  遅延素子
１３  加算手段
１３ａ〜１３ｓ  加算器
１４  判定手段
１４ａ〜１４ｓ  ピークホールド回路
１５  閾値設定部
１５ａ〜１５ｓ  比較回路
１６  位置演算手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005300429.tif 000006
【図４】
2005300429.tif 000007
【図５】
2005300429.tif 000008
【図６】
2005300429.tif 000009